Irreversibler Kapazitätsverlust von Lithium-Ionen-Batterien über die Alterung und reversible Anteile durch Anodenüberstände

Lithium-Ionen-Batterien sind die Schlüsseltechnologie für die E-Mobilität. Für die Akzeptanz von E-Mobilen sind insbesondere die Energiedichte der Batterie und eine verlässliche Diagnostik von herausragender Bedeutung. So müssen hohe Reichweiten erreicht, der Gesundheitszustand und der aktuelle Ladezustand verlässlich bestimmt werden können. Hierzu ist ein gutes Verständnis des reversiblen und irreversiblen Kapazitätsverlusts unerlässlich, welches in bisherigen Modellen zur Lebensdauerprognose noch unzureichend abgebildet wurde.

Die irreversiblen Verluste stellen dabei die tatsächliche Alterung dar, wohingegen die reversiblen Verluste unter bestimmten Bedingungen reaktiviert werden können. In kalendarischen sowie zyklischen Tests wurden starke Kapazitätsabnahmen für hohe Ladezustände und Kapazitätszunahmen über 100 % für geringe Ladezustände beobachtet. Dies konnte im Rahmen von kürzlich erschienenen Veröffentlichungen durch den lateralen Fluss von Lithium-Ionen von und zu den geometrischen Anodenüberständen hinsichtlich der Kathode beschrieben werden. So fließt bei hohen Ladezuständen aktives Lithium vom aktiven Bereich der Anode in den passiven Bereich und erzeugt einen scheinbar höheren Verlust an aktivem Lithium bzw. Kapazität. Bei niedrigen Ladezuständen wird Lithium aus den Überständen reaktiviert und die entnehmbare Kapazität steigt. Die Zunahme bzw. Abnahme ist eine Funktion des Ladezustands, des Überstands (vor Testbeginn) und dem prozentualen Anteil des Überstands zum aktiven Teil der Anode. Der Einfluss der Überstände ist weiterhin abhängig von der Weglänge im Überstand und der Temperatur, wodurch die Ausgleichsprozesse von einigen Monaten bis hin zu Jahren in Anspruch nehmen können. Daher ist ein Verständnis nicht nur für die Alterung, sondern auch für die Diagnostik von hohem Stellenwert, da längere Standzeiten zu sehr starken Schwankungen der entnehmbaren Kapazität führen können.

Im Rahmen des Projektes Anodenalterung wurde der Effekt quantifiziert, wodurch eine Beschreibung der tatsächlichen irreversiblen Alterung ermöglicht wurde. Die Ergebnisse wurden durch PostMortem-Analysen unterstützt. Die Erkenntnisse werden genutzt, um Modelle zur Lebensdauerprognose, um den reversiblen Anteil der Kapazität zu erweitern und dadurch Fehler in der SOH- und SOC-Bestimmung, insbesondere für die Anwendung in der Fahrzeugdiagnostik, zu minimieren.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 18779 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen  Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.